NI​示波器​的​优势

内容

概览

传统​台式​示波器​进行​了​优​化​以​满足​设计​工程​师​的​需求,​这些​工程​师​主要​使用​交互​式​仪器,​优先​考虑​第一次​测量​时间、​波形​可​视​化​以及​与​各种​探​针​的​连接​等​功能。​虽然​新型​台式​示波器​通过​诸如​提高​带​宽​和​添加​用于​分析​总​线​协议​的​交​钥匙​软件​以及​特性​优​化​了​这些​用户​体验,​但​往往​还是​不能​满足​工程​师​构​建​自动​化​测试​系统​或​高​通道​数​高速​测量​系统​的​需求。​这些​工程​师​需要​以​自动​化​的​方式​采集​和​分析​大量​的​数据,​在​该​过程​中,​优先​考虑​的​特性​通常​包括​与​其他​仪器​的​集成、​尺寸​和​编​程​体验​以及​数据​吞吐量​或​执行​时间。​基于​这些​独特​的​需求,​许多​用户​开始​寻求​模​块​化​平台,​该​平台​应​既​可​提供​台式​示波器​的​测量​特性,​而且​其​外形​结构​也​针对​用户​应用​进行​了​优​化。

 

NI​在​PXI​平台​中​提供​了​种类​最多​的​模​块​化​示波器,​这样​您​就​可以​优​化​系统​成本、​密度、​测量​分辨​率​或​采样​率。​图​1​列出​了​各种​NI​示波器​的​采样​率​和​分辨​率。​蓝色​的​I / O​点​代表​的是​使用 NI-​SCOPE仪器​驱动​程序​编​程​的​软件​定义​示波器,​而​黄色​的​I / O​点​则​代表​基于​FPGA​的​数字​化​仪,​使用​的是​NI​可​重​配置​I/ O(RIO)​架构。 

 

图​1. NI​示波器​具有​具有​各种​分辨​率​和​高速​采样率

 

图​2​列出​了​图​1​中​蓝色​I/​O​点​的​一些​具体​示波器​规格。​这些​示波器​提供​了​用户​所​希望​的​与​传统​台式​示波器​一样​的​测量​功能,​如​可​选​的​输入​范围、​输入​耦合​和​阻抗、​滤波​器​和​可​溯源​校准。​同时,​它们​还​支持​软件​前​面板,​并​通过​仪器​驱动​程序​进行​编​程,​这些​仪器​驱动​程序​包含​预先​创建​的​函数​来​执行​标准​示波器​测量,​如​测量​上升​时间、​频率​和​脉冲​宽度​或​通过​软件​定义​功能。

图​2. 从​丰富​的​示波器​产品​组合​中​选择​适合​您​的​产品

 

图​1​中​黄色​I/​O​点​代表 基于​FPGA​的​数字​化仪 ,​它​将​高速​采样​率​与​用户​可​访问​的​FPGA​相​结合,​成为​板​载​信号​处理、​实​时​分析​或​自​定义​触发​实现​的​理想​选择。

 

图​3. 通过​更换​适​配​器​模​块​定义​应用​程序​的​所需​I / O. 

 

NI​提供​一系列​丰富​的​PXI​示波器​和​基于​FPGA​的​数字​化​仪,​专​为​高​通道​数​或​混合​信号​自动​化​测试​系统​而​开发。​尽管​这些​仪器​的​规格​从​高​分辨​率​到​高速​不尽​相同,​但是​NI​示波器​具有​以下​几个​共同​的​关键​属性,​可​针对​这些​应用​优​化​示波器,​这些​属性​包括:
 

  • 与​其他​仪器​紧密​的​集成​和​同步
  • 可​存储​和​传输​大量​数据
  • 高​通道​密度
  • 自​定义​触发​和​板​载​信号​处理
  • 快速​进行​测量、​编​程​和​调​试​的​全面​软件​体验

 

混合​信号​或​高​通道​数​系统​的​同步​和​集成

混合​信号​测试​系统​是​由​信号​源、​测量​设备​和​开关​等​各种​类型​的​仪器​组成​的。​NI PXI​示波器​通过​将​PXI​平台​的​优势​与​NI​专利​技术​相​结合,​实现​了​与​其他​仪器​的​紧密​集成​和​同步。​借助​PXI​系统​和​NI​模​块​化​仪器,​您​不仅​可以​在​一个​独立、​紧凑​的​PXI​机​箱​中​构​建​一个​完整​的​测试​系统,​同时​由于​机​箱​中的​模​块​能够​以​皮​秒​级​的​精度​进行​同步,​因而​也​可​保证​测量​质量​和​可​重复​性。

 

 

图​4. PXI​平台​提供​了​种类​丰富​的​模​块​化​仪器

 

通过​同步,​您​可以​将​多个​相同​类型​仪器​的​时​基​和​触发​进行​匹配​以​实现​通道​扩展​的​目的,​或者​将​不同​仪器​的​输入​和​输出​紧密​关联。​同步​的​基本​方法​包括​共享​触发​和​采样​时钟,​而​更​先进​的​同步​则​涉及​将​多个​不同​速率​的​采样​时钟​对​齐​以及​调整​时钟​和​触发​之间​的​相位​延迟。 PXI​架构​通过​PXI​机​箱​背​板​均匀​地​分布​多个​触发​和​采样​时钟,​从而​解决​其中​存在​的​一些​挑战,​如​图​5​所​示。

 

图​5. PXI Express​背​板​简化​了​定​时​和​同步

 

此外,​NI​示波器​与​信号​发生​器​和​高速​数字​I / O​等​其他​仪器​共享 同步​和​存储​核心​(SMC) 技术。​这项​专利​技术​使用​独立​的​时钟​域​信号​来​实现​不同​仪器​之间​的​触发​的​驱动​和​接收,​继而​实现​了​皮​秒​级​的​同步。​该​触发​称为 Trigger Clock (TClk), 相比​仅​将​采样​时钟​锁定​相​至​10 MHz​参考​时钟​的​方法​来说,​显著​提高​了​性能。

 

高​数据​吞吐量

公司​在​高效、​准确​地​测试​产品​上​需要​花费​很多​成本。​除了​初始​的​测试​设备​支出​外,​测试​时间​等​因素​也​会​大大​影响​测试​的​成本。​虽然​每​个​应用​都是​独一无二​的,​有其​特定​的​需求,​但是​自动​测试​系统​总是​有​一些​共性。​带​宽​和​延迟​是​自动​化​测试​系统​两​个​最​重要​的​因素,​因为​两者​的​组合​决定​了​测量​系统​的​整体​速度。

 

图​6. 常用​仪器​总​线​的​带​宽​和​延迟

 

延迟​描述​的是​仪器​响应​远程​命令​(如​测量​查询)​所需​的​时间​量。​带​宽​主要​指​的是​将​测量​仪器​与​上位​机​或​控制器​相​连接​的​数据​总​线​的​数据​吞吐​容量。​高​带​宽​总​线​可​缩短​测试​时间,​无论​应用​是​一次​性​传输​大量​数据​记录​还是​连续​多次​传输​少量​数据​记录。 PXI​平台——​内​置​有​NI​高速​示波器​——​通过​PCI​和​PCI Express​总​线​为​各种​应用​提供​了​高​带​宽、​低​延迟​和​高速​率。 PXI Express​是​一种​使用​高速​PCI Express​总​线​的​PXI,​其​系统​吞吐量​可​达到​几个​GB/ s,​这​取决​于​机​箱​和​控制器。 PXI​和​PXI Express​的​数据​吞吐量​远远​高于​GPIB、​USB​和​LAN​等​其他​自动​测试​仪器​常用​的​总​线​(表​1)。

 

表​1. PXI​和​以太​网​的​数据​吞吐量​比较

 

密度

NI PXI​示波器​比​传统​台式​仪器​更​为​紧凑,​这​意味​着​您​能够​以​比​机​架​堆​叠​式​测试​仪​小​得​多​的​体积​构​建​混合​信号​自动​化​测试​系统。​占地​面积​小​的​测试​系统​可​节省​生产​车间​宝贵​和​表征​实验​室​的​宝贵​空间,​同时​还​可​通过​减小​重量​和​体积​提高​便​携​性,​此外,​由于​配​电​和​冷却​需求​减少,​往往​也​会​降低​设备​的​成本​和、​减少​测试​基础​设施。 

 

图​7. NI​示波器​与​其他​仪器​相​结合,​可​创建​紧凑​的​自动​化​测试​系统

 

由于​大​多数​传统​台式​示波器​的​最大​通道​数​为​四​个,​因此​如果​要​同时​采集​超过​四​个​通道​的​数据,​示波器​的​通道​密度​就​尤其​重要。​台式​示波器​针对​低​通道​数​台式​应用​进行​优​化,​其​上面​有​许多​物理​旋​钮​和​大型​显示​器​可​用于​采集​和​显示​数据。​这些​仪器​的​前​面板​占用​的​物理​空间​使得​将​它们​堆​叠在​一起来​实现​高​通道​数​系统​变得​不切实际。

 

PXI​示波器​去​除了​许多​与​传统​工具​相关​的​冗​余​组​件,​比如​个人​显示​器、​物理​旋​钮、​电源​和风​扇。 PXI​机​箱​和​控制器​负责​数据​处理、​数据​传输、​冷却​和​为​仪器​供电,​而​用户​可​通过​软件​控制​仪器,​并且​只需​在​一个​显示​器​上​显示​数据。​使用​PXI​平台​和​NI​示波器,​您​就​可以​在​一个​4U 19​英寸​PXI​机​箱​内​构​建​多​达​136​个​通道​的​高​通道​数​系统。

 

图​8. 在​单​个​PXI​机​箱​(19​英寸​4U​机​架)​中​组合​多​达​68​个​或​136​个​示波器​通道,​实现​高速​采集​系统

 

软件​定义​的​仪器

如今​大​多数​测试​仪器​将​FPGA​与​固定​的​固​件​结合​来​实现​仪器​的​各种​功能。​NI​软件​设计​的​示波器​配备​了​开放​式​FPGA,​使​用户​能够​在​仪器​上​执行​复杂​算法,​显著​减少​了​需要​传输​到​主机​的​数据​量。​该​示例​显示​了​如何​在​仪器​上​的​FPGA​中​构​建​可​执行​常见​计算​(即​SFDR、​SNR​和​SINAD)​的​应用​程序。

 

图​9. 这​一​开放​式​FPGA​的​程序​框​图​展示​了​在​FPGA​上​计算​SFDR、​SNR​和​SINAD​的​架构

 

在​上​一节​中,​高​数据​吞吐量​指​的是​增加​带​宽​和​减少​延迟。​软件​设计​的​示波器​采用​所​定义​的​开放​式​FPGA​架构​大大​增强​了​这些​优势。​用于​PXI Express​的 NI FlexRIO FPGA​模块模​块​的​一个​独特​功能​是,​它们​能够​以​3 GB / s​的​速率​在​模​块​之间​传输​数据,​而无​需​使​数据​经过​主机​的​芯​片​集。​该​模​块​可​支持​多​达​16​个​这样​的​数据​流,​简化​了​复杂​的​多​FPGA​通信​方案,​而且​不​耗费​主机​CPU​资源。​有关​该​技术​的​更多​信息,​请​参阅​白皮书 《点对点​数据​流​介绍》

 

图​10. 在​测试​仪器​中,​开放​式​FPGA​可​用于​添加​触发​和​后​处理​等​功能

 

仪器​编程

示波器​中​最​经常​被​忽视​的​其中​一个​功能​是用​来​控制​和​编​程​设备​以​进行​自动​化​测试​和​测量​的​软件。​但是​忽视​该​软件​可能​会​导致​严重​的​后果,​因为​软件​会​显著​影响​应用​程序​的​开发​时间。 NI​示波器​提供​各种​软件​工具,​使​您​能够​快速​采集​数据、​调​试​应用​程序、​自动​化​数据​采集​以及​与​其他​仪器​同步,​从而​帮助​您​提高​生产​力。

 

借助​NI-​SCOPE​软件​前​面板​开始​测量

这​一​交互​式​程序​类似​于​传统​示波器​的​专用​显示​器,​提供​了​一个​易​于​使用​的​界面。​除了​可​让​用户​访问​所有​NI​示波器​的​基本​功能​外,​它​还​提供​了​实​时​测量​以及​将​数据​保存​到​文件​进行​后期​处理​和​分析​的​功能。​这个​界面​使得​使用​NI​示波器​的​用户​在​几秒​钟​内​就​可​轻松​地​开始​测量。

 

图​11. 使用​NI-​SCOPE​软件​前​面板​快速​进行​测量

 

使用​NI-​SCOPE​驱动​和​范​例​程序​进行​编程

为了​利用​基于​PC​的​测量​设备​的​全部​功能,​通过​编​程​来​定义​并​控制​其​行为​是​至​关​重要​的。​所有​NI​示波器​均可​使用​NI-​SCOPE​仪器​驱动​程序​来​进行​编​程​控制,​该​驱动​程序​提供​了​快速​入门​的​高层​功能​以及​用于​访问​示波器​所有​功能​的​底层​控制。​此外,​该​驱动​器​包含​了​50​多个​预先​编写​的​示例​程序,​演示​了​如何​访问​任意​一种​NI​示波器​的​全部​功能。​NI-​SCOPE​仪器​驱动​程序​可以​通过​多种​编​程​语言​来​访问,​如​LabVIEW​中的​图形​化​语言、​C + +和​Visual Basic。​每​一种​语言​都有​相应​的​编​程​范​例。

 

图​12. 使用​NI-​SCOPE​驱动​程序​进行​编​程,​创建​自​定义​程序

 

使用​NI-​TClk​实现​同步

多台​设备​的​同步​是​许多​应用​的​关键​要求,​这​往往会​增加​软件​开发​时间。​但是​基于​SMC​架构​的​NI​示波器​可以​利用​NI-​TClk​帮助​工程​师​以​最少​的​精力​实现​精确​的​同步。 NI-​TClk​提供​了​一个​高层​接口,​用于​编​程​多个​NI​示波器、​任意​波形​发生​器、​高速​数字​I/ O​设备​的​同步。​此外,​各种​预先​写​好的​范​例​也可以​执行​此类​同步,​这​使得​实现​和​维持​同步​变得​更加​容易。​下面​显示​的​是在​LabVIEW​环境​实现​多个​PXI​示波器​均​相​同步​所​需要​的​三​个​函数。

 

图​13. 在​LabVIEW​或​LabWindows™/​CVI​中​使用​三​个​函数​同步​多个​NI​示波器

 

借助​示波器​提高​工作​效率

NI​示波器​提供​了​传统​台式​示波器​的​测量​性能,​同时​其​外形​结构​针对​自动​化​测试​和​高​通道​数​应用​进行​了​优​化。​借助​一系列​基于​PXI​的​示波器​和​基于​FPGA​的​数字​化​仪,​您​可以​优​化​系统​的​密度、​分辨​率、​带​宽​和​采样​率。​此外,​软件​设计​的​仪器​可​让​您​使用​LabVIEW FPGA​模​块​自​定义​仪器​的​功能,​从而​提供​了​无可​比拟​的​灵活​性。​从​提供​开​箱​即​用​的​软件​工具​以​快速​进行​测量​和​调​试​应用​程序​到​构​建​完整​的​自动​化​测试​程序​以及​在​硬件​上​实现​自​定义​算法,​NI​示波器​均可​为​您​提供​最好的​硬件​和​软件​组合,​使​您​更​高效​地​构​建​自动​化​测试​和​高​通道​数​系统。

 

下一步

 

 

 

 

LabWindows​标志​的​使用​获得​Microsoft Corporation​的​授权。​Windows​是​Microsoft Corporation​在​美国​及​其他​国家​的​注册​商标。